微型風光互補穩定發電模型

文/白健美 黃文娟 李柯 唐智超

1 小型風光互補發電系統

1.1 小型風光互補發電系統的總體結構

風光互補發電系統主要由前端電源（太陽能電池板、風力機）、控制器、儲能元件、交流和直流負載、變壓器，整流器，逆變器等，如圖 1 所示；系統采用太陽能電池板、風力發電機(產生的是交流電)、用鉛酸蓄電池保存它們產生的電能，當與外部用電設備連接，蓄電池進行放電。

在圖1中可以看出，主要分為三個環節，分別是電能發生環節、電能轉換控制環節和電能存儲消耗環節。

（1）電能發生環節。分為兩路，其一是風機產生電能部分，由若干臺風力機組成；其二是光伏產生電能部分，由若干個太陽能電池組成。

（2）電能變換控制環節。由不可控三相整流橋、防反二極管、 DC DC / 變換器等元件組成；三相交流風力發電機所產生的電流通過不可控整流橋，為了得到沒有波動的較好直流，需要經由電容穩波，流進 AC DC / Buck 變換器，最后保存在蓄電池中；為了規避反電壓突然出現，毀壞光伏電池板，要使光電流先流過一個二極管（防反作用），進入 DC DC / Buck 變換器。其中 DC DC是功率變換器，是核心單元，控制器的主要作用就是管理 DC DC / 變換器。

（3）電能存儲消耗環節。電能主要保存在鉛酸蓄電池當中，它在系統中擔當著電能存儲的責任，功能便是去除因外界條件變化出現的電能供應和需要的不匹配，管理整個風光發電系統并且協調負載。如果供給高于需求時，控制系統會將剩余的能量補充到鉛酸電池中，如果供給小于需求時，電池輸出電流供負載使用。依據不同用戶的耗電設備，可分為直流負載和交流負載兩個。

直流負載能夠用蓄電池供電，還能夠用升壓或降壓，DC DC 電路給不同類型設備供給必要電壓；當接交流負載時，必須連接 DC AC / 逆變器。卸載電路的主要作用是：如果風速過大，仍然沒有到達系統過保條件時，系統還要繼續給用電設備或電池充電，要降低風力過高把開關管以及電路毀壞危險，這時打開卸載電路，以便把多余功率消費在卸載電路上，降低對控制系統的損壞。

2 風力發電機組的構成及工作原理

在風光互補系統中，風機是其中產生電能的一個來源，風機由風力機、傳動機構與發電機等結構構成。風機發電的主要包括，風吹動風機機輪，風力發電機開始正常工作，把氣流動能轉化為風機的動能，將動能傳給傳動裝置，它的作用是將動能轉送到下一個裝置，這就會實現發電機的正常工作，接下來產生電能輸送到用電設備當中。在風光互補系統中，另外一個電能的發生結構是太陽能光伏陣列，功能是把接收而來的太陽光能轉換成電能。

2.1 太陽能發電的工作原理

太陽能電池由半導體構成,在半導體材料內部含有大量的 PN 結,由于 PN 結兩側的電子的濃度和空穴的濃度不同,出現了擴散運動。 N 區的電子擴散到 P 區，P 區的空穴擴散到 N 區，在半導體內部形成了內電場，這個內電場被稱為電勢壁壘，當照射太陽能電池時，硅原子最外層的電子會掙脫束縛，變成核外自由電子，并留下空穴；P 區內的自由電子受到內電場力，使它定向移動，不斷進入到 N 區，留下了大量空穴。在同樣電場力的影響下, N 區中的空穴也會不斷進入到 P 區,大批的自由電子留在原地。所以在 PN 結接觸兩端的電極上將會分有正向電荷和負電荷聚集起來，可以形成光生電壓，這個現象被稱之為光生伏特效應。將 PN 結兩側接入閉合電路當中，相當接入了一個電源， 形成閉合回路，從 P 區經外電路流向 N 區,給負載供電。

2.2 太陽能電池板的等效電路

太陽能組件的工作原理及特性，在風光互補系統中，另外一個電能的發生結構是太陽能光伏陣列，功能是把接收而來的太陽光能轉換成電能。太陽能電池由半導體構成,在半導體材料內部含有大量的 PN 結，由于 PN 結兩側的電子的濃度和空穴的濃度不同，出現了擴散運動。 N 區的電子擴散到 P 區，P 區的空穴擴散到 N 區，在半導體內部形成了內電場，這個內電場被稱為電勢壁壘，當照射太陽能電池時，硅原子最外層的電子會掙脫束縛，變成核外自由電子，并留下空穴；P 區內的自由電子受到內電場力，使它定向移動，不斷進入到 N 區，留下了大量空穴。在同樣電場力的影響下， N 區中的空穴也會不斷進入到 P 區，大批的自由電子留在原地。所以在 PN 結接觸兩端的電極上將會分有正向電荷和負電荷聚集起來，可以形成光生電壓，這個現象被稱之為光生伏特效應。將 PN 結兩側接入閉合電路當中，相當接入了一個電源， 形成閉合回路，從 P 區經外電路流向 N 區,給負載供電。

圖1：小型風光互補發電系統結構

2.3 系統儲能設備

儲能單元是維系整個發電系統運行的關鍵組件，主要由充放電控制單元和儲能元件兩部分構成。主要功能是調節光伏電池陣列和風力發電機組向外輸出多少的電能，儲存發電高峰剩余的電量，平衡發電低谷負載用電。完美地解決了由于太陽能和風能所形成的間歇性、不確定性而引發的電源供給波動和能量消耗，大大提高了系統的工作效率和穩定性。

根據不同的存儲手段可將儲能設備劃分成化學儲能設備、物理儲能設備和超導儲能設備。當前，在風光互補現實運用中，利用電能與化學能相互轉化的化學儲存單元—蓄電池是較為廣泛的。如今市場當中有各樣的蓄電池，具有代表性的為鋰離子蓄電池、鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池等。其中，鉛蓄電池因其防酸、防爆、耐腐蝕、電池容量大、充放電次數多、使用壽命長、化學能—電能轉換效率高等特點在眾多蓄電池中脫穎而出，獲得了廣泛的關注與使用，現在研究應用較多的是膠體鉛酸蓄電池。

3 結論

本文利用風能和光能的互補特性設計了風光互補發電控制系統，并研究了風力發電和光伏發電最大功率點跟蹤控制算法、蓄電池充電放電控制及系統嵌入式硬件電路，獲得了以下成果：對光伏發電提出基于固定壓法結合新型變步長擾動觀察法的控制，風力發電采用變步長功率擾動控制，解決了傳統算法跟蹤速度慢、易在最大功率點附近出現震蕩的問題。設計了以 ATmega16 單片機為核心的風光互補系統智能控制器，完成了包括系統主電路以及控制電路，電源轉換模塊、電流采樣電路、電壓采樣電路、PWM 產生電路驅動電路等硬件電路。建立了光伏發電系統以及風力發電系統模型，在 MATLAB/SIMULINK下進行在線仿真，結果表明，本文提出的控制算法和硬件電路及軟件設計是切實可行的。